风机毕业论文风能与动力技术专业风电机组振动监测与减振减噪措施分析 .doc 13页

'酒泉职业技术学院毕业论文2012级风能与动力技术专业题目：风电机组振动监测与减振、减噪措施分析毕业时间：二〇一五年六月学生姓名：马立东指导教师：甄亮班级：12级风能与动力技术（2）班2014年10月10日 目录摘要1一、风力发电概述1（一）风力发电的现状1（二）风力发电机组存在的问题2（三）风力发电机组振动监测的意义3二、风力发电机组齿轮箱振动测试与分析4（一）齿轮箱振动测试4（二）齿轮箱中主要故障及其原因分析4（三）小结6三、风力发电机的减振、减噪措施6（一）风力发电机组发电机减振器的研究6（二）大功率风力发电机组齿轮箱减振支撑的结构特点与应用6四、总结9参考文献：10致谢11 风电机组振动监测与减振、减噪措施分析摘要：我国的风能资源丰富，储量居世界首位，为此我们应该大力开发，充分利用可再生能源。为改善我们的生活，更应该对新能源技术不断改进来大大提高能源的利用效率。本文重点分析了振动诊断和监测技术在风力发电机组状态监测，完成以下工作。由风力发电机组所受外部激振力及其自身结构特点，主要分析了风力发电机组整机系统与齿轮箱的振动特征。根据风力发电机组的振动特征，总结了几种风力发电机组振动诊断方法。通过对材料和其他技术的改进，来对风力发电机组进行减振、减噪处理。关键词:风力发电机组；振动诊断；振动状态监测；减噪、减振一、风力发电概述（一）风力发电的现状目前世界能源主要来自不可再生的能源，如:煤、石油、天然气和核能。这样的能源结构不仅导致能源的短缺，而且造成严重的环境问题。风能作为一种可再生清洁能源已越来越受到全世界各国政府的欢迎和重视。图1为各国的风机装机容量，全球的风能资源约为2.74x1012Kw，其中可利用的风能为2x1010KW，比地球上可开发利用的水能总量还要多10倍。2005年2月旨在限制温室气体排放量的《京都议定书》也已正式生效，这对世界风电行业的发展将会带来重大的影响。随着风电各项技术的成熟，风力发电在抑制二氧化碳排放可大大降低，稳定石油价格波动等能源问题上的优势将会越来越明显，在世界范围内风电行业正蓄势待发。图1各国风机装机容量11 （二）风力发电机组存在的问题目前我国已建成的风电场的风力发电机组有相当部分是上世纪90年代中后期由国外购进的，其单机容量为250Kw、300Kw、500Kw、600Kw、660Kw、750Kw等几种机型。这些机组寿命一般为15-20年，保修期为2年，随着机组运行时间的延长，目前这些机组陆续出现了一些故障，包括风轮叶片、齿轮箱、发电机以及控制系统等故障，从而导致机组停止运行，严重影响发电量，造成经济损失。目前在我国运行的风力发电机组中，出现故障的概率己占了一定的比重，需认真分析分析。如图2所示。图2各类型故障停机次数所占比例比如对神华国华能源投资有限公司投运的风力发电机进行的一次故障统计，统计显示:虽然在停机次数上，风力发电机变桨系统、变频器、电气系统和电气控制占61.9%，发电机、主轴承和齿轮箱占18.1%(如图2所示)，但从停机的时间上后者却占68.7%(如图3所示)。因此，保证发电机、齿轮箱、主轴承等机械零部件的安全运行至关重要，如图3所示。图3各类型故障停机时间1.风电机组振动监测的必要性11 风力发电机组是风电场的关键设备。长期以来,风力发电机一直采用计划维修与事后维修方式。计划维修即运行2500h和5000h后的例行维护,如检查螺栓力矩,加注润滑脂等。该维修体制无法全面、及时地了解设备运行状况。事后维修则因事前准备不足,往往造成维修工作旷日持久,损失重大。以下两个实例可以看出对机组实施状态监测的必要性:(1)一次某机组声音异常,怀疑其传动齿轮箱有故障。用便携式测振仪采集振动数据,经与其他机组比较后认为,该机齿轮箱中间级和高速级存在异常,开箱检查证实了该判断。由于发现及时,故障没有进一步发展。类似这种声音异常是机械故障的重要特征,只要留心就可及时发现。但2500h和5000h的例行维护都是在停机状态下进行,无法反映机组运行时的状况,况且时间间隔太长,即便有问题也不能及时发现。(2)某台进口风力发电机组,现场人员反映振动较大。用便携式测振仪采集振动数据,并与另一台同型机组比较后认为,该机齿轮箱、发电机可能存在机械故障。由于该齿轮箱、发电机没有备件,在检修期间该机组不得不停运,影响了发电量。风力发电机运行是否正常直接影响着风力发电的产量，风机故障可能会导致机组本身的损坏，甚至有可能造成更严重的后果。由于风场的环境恶劣加之自身结构等特点，风力发电机所受的外部激振力和振动自由度相对其他大型旋转机械要多，为了保障风机的安全运行，对其运行状况进行振动状态监测非常重要。（三）风力发电机组振动监测的意义风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术在工程中应用的重大意义:1.提高机组运行的可靠性、安全性振动状态监测与故障诊断技术能够及时、正确地对机组的各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，避免重大事故发生，保证风力发电机组安全，可靠地运行。2.给企业带来可观的经济效益由于振动状态监测与故障诊断能避免因突发性故障发生造成的经济损失，延长机组使用寿命。还能为制定有计划的维修提供依据，可在无风期安排维修，缩短维修时间，减少备件数，降低风力发电设备的维修费用，能给企业带来巨大的经济效益。二、风力发电机组齿轮箱振动测试与分析11 （一）齿轮箱振动测试现对某个风电场机组齿轮箱的不同测点（图4）做振动测试和分析。图4齿轮箱、发电机测点分布图表1测点分布测点位置检测部位主轴主轴前轴承水平径向主轴前轴承振动主轴后轴承垂直径向主轴后轴承振动发电机前轴承水平径向发电机前轴承振动后轴承水平径向发电机后轴承振动齿轮箱外齿圈垂直径向外齿圈啮合状况，整体振动低速轴垂直径向低速轴垂直径向、齿轮啮合状态高速轴垂直径向高速轴轴承振动、齿轮啮合状态高速轴转速（二）齿轮箱中主要故障及其原因分析11 据统计,齿轮箱中其次是轴承，占20％；再者是轴，占10％。最后是箱体和紧固件。由此可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大。说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加工中是一种高度复杂的成形零件，而在高速、重载下运行的齿轮，其工作条件又相对比其他零部件恶劣,特别是风电机组齿轮箱也是如此。下面我就把齿轮箱的故障特征和预估故障间的关系如表2、表3。表2齿轮箱的故障特征　声音异常、振动增大、温升过高、漏油、能耗增大、其他1齿轮轮齿　局部断齿磨损点蚀胶合齿根裂纹　2齿轮基体　轮缘、腹板灯损伤变形弹簧、螺杆折断　　　3轴，联轴节，键　变形损伤　　　　4轴承　变形滚动体配合体保持架　　5齿轮箱　变形刚度不够密封不良　　　表3齿轮箱的故障特征　不能运转1齿轮　断齿严重胶合杂物进入2齿轮基体　齿圈断裂变形损坏　　3轴，联轴节，键　损伤4轴承　烧伤滚珠脱落杂物进入5齿轮箱　严重损伤变形6动力源　故障不能运转7其他　联轴、联轴节损坏1.齿轮箱的故障诊断方法大体上可分为两大类：（1）通过齿轮运转过程中所产生的振动、噪声和油温等动态信号,运用信号处理方法来完成故障分析、诊断。（2）根据摩擦磨损理论，通过润滑油液分析来达到故障诊断的目的。主要是通过分析润滑油里金属的成分来预测是那一部分的材料。从而判断是否属于正常现象。11 目前另外一种灵敏度比较高的方法也逐渐被应用。它就是频谱分析方法被引入到了齿轮故障诊断中。齿轮振动信号的频谱分析方法在齿面磨损、齿断裂等故障的诊断上面应用得比较成功。（三）小结1.拆检结果证明，用上述方法可以快速、准确地判断出待检齿轮箱是否存在故障以及故障所在。2.风力发电机组工作环境十分恶劣，输入载荷变化频繁，故障率非常高，维修困难。建议加强机组安全保护方面的设计（如加装机组状态监测系统等）。3.风力发电机组由于结构复杂，转速变化频繁，故障类型多，有必要采用多种手段（如噪声测试、油液分析等）进行综合精密故障诊断。   三、风力发电机的减振、减噪措施（一）风力发电机组发电机减振器的研究1.风机用减振器简介来自风力发电机的噪声一部分是由机械运动产生的；一部分是由空气动力产生的。其中机械噪声主要是由机舱内的旋转机械，尤其是齿轮箱和发电机产生的。为了减少风机运行时齿轮箱和发电机传递到机架和塔架上的噪声，在齿轮箱、发电机与机架之间皆必须安装橡胶减振器。2.减振器的工况与性能要求风力发电机组功率1.5MW，发电机重量8.5t，发电机与机架之间安装四个相同的减振器。发电机额定工作时的扭矩12kN•m，出现短路时的极限扭矩85kN•m。要求发电机正常工作时不发生共振，振幅控制在±2mm之内，减振效率不小于90﹪，承受极限载荷时减振不发生破坏。（二）大功率风力发电机组齿轮箱减振支撑的结构特点与应用1.叠簧式齿轮箱减振支撑叠簧式齿轮箱减振支撑主要用于四点支撑系统（双轴承结构）的风力发电机组当中，采用的是金属框架式结构，如图5、6所示。在齿轮箱扭力臂上、下各设置有一个橡胶垫。齿轮箱支撑安装时使上、下橡胶垫各产生一定的预压缩量，齿轮箱工作时的振动就在预压缩量的范围内进行。11 图5叠簧式减振器图6叠簧式减振器原理图在这种结构的传动系统中，齿轮箱的重量主要由低速轴来承担，减振支撑主要承受低速轴传递的扭转载荷，因此其所承受的载荷为。依据齿轮箱载荷的特点，减振支撑的垂向（ZN）刚度大，则扭转刚度大；其他方向刚度应尽量小。在齿轮箱支撑两端各有一个调节装置，通过调整螺栓可实现对齿轮箱安装高度的微调，以避免系统出现过约束，使齿轮箱与主轴连接处受附加弯矩的作用；同时也可以调整减振支撑整体的刚度性能以实现产品的变刚度设计。根据风力发电机组齿轮箱的工况与所承受载荷的不同，可以调整橡胶的硬度和预压缩量。这种齿轮箱弹性支撑具有出色的阻尼及减振性能，可大大减少结构噪声的传递，承载大，且安装方法简单，更换方便。2.液体复合齿轮箱减振支撑液体复合齿轮箱减振支撑即可用于三点支撑系统中，也可以用于四点支撑系统当中。液压减振支撑是在叠簧式减振支撑的基础上，并结合液体流动时优良的阻尼特性而发展起来的。这种减振支撑的橡胶弹性体的外形结构和叠簧式减振支撑类似，皆采用金属橡胶复合结构，内部设有压力膜（橡胶），腔体，密封机构，液压管路等，如图7所示。11 图7液体复合减振器齿轮箱一侧的减振支撑上弹性体与另一侧减振支撑的下弹性体通过液压油管连接在一起，如图8所示。当齿轮箱发生振动，齿轮箱支撑受载其腔体的体积发生变化，液体在上、下腔体之间流动产生阻尼，消耗振动能量，达到衰减振动的目的图8液体复合减振器原理图液体减振支撑在正常状态下，当齿轮箱受扭转载荷MXN时，左侧上弹性支撑和右侧下弹性支撑承载，两橡胶弹性体的体积同时压缩，腔体体积减小，管内压力急剧增加，从而扭转刚度KM也随之大幅增加。当齿轮箱受垂向载荷FZN时，左右两侧的上弹性体同时承载，两下弹性体同时卸载，因此两上弹性体的液体流向下弹性体，主要通过橡胶的垂向变形来承载，从而垂向刚度KZN较小。当齿轮箱受水平载荷FYN时，则主要是通过橡胶的剪切变形来承载，因此产品水平方向的刚度KYN非常小。液体复合减振支撑三个方向的刚度性能曲线如9图所示，正是由于液体复合减振支撑这种独有的刚度特性，所以在大功率风力发电机组中得到了广泛的应用。图9液体复合减振器的刚度性能曲线11 与叠簧式齿轮箱减振支撑的性能相比，在获得相同的扭转刚度的情况下，液体复合减振支撑的垂向刚度小，从而可以大大减少由于安装所产生的过约束对系统的影响，这种减振支撑也是齿轮箱减振系统的发展方向，具有非常广阔的前景。四、总结双馈式风力发电机组多采用三点式或四点式支撑系统。在三点式支撑系统中根据载荷的特点与系统的要求可采用轴瓦式减振支撑或者液体复合减振支撑，采用这种结构的风力发电机组，其齿轮箱载荷较复杂，对齿轮箱的要求较高。在四点式支撑系统中可采用叠簧式减振支撑和液体复合减振支撑，采用这种结构的风力发电机组，其齿轮箱载荷比较简单，齿轮箱的维护成本较低。风力发电机组中齿轮箱减振系统的选择与设计应根据具体的载荷形式来定，并依据载荷的大小、特点和减振的要求来确定减振支撑的性能指标，以实现最佳的减振效果。11 参考文献：[1]易良集.简易振动诊断现场实用技术[M]．北京：机械工业出版社，2003[2]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学[D]．北京：机械工业出版社，1997[3]丁康，李魏华，朱小勇．齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[D]．北京：机械工业出版社，2005[4]张来斌，王朝晖，张喜延，樊建春．机械设备故障诊断技术及方法[D]．北京：石油工业出版社，2000[5]徐敏，黄昭毅设备故障诊断手册[M]．西安：西安交通大学出版社，1998[6]李俊峰，王仲颖，马玲娟，等.2008年中国风电发展报告[M].北京：中国环境科学出版社，2008.[7]TonyBurton等著，武鑫等译.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.[8]郭建.风力发电机整机性能评估与载荷计算的研究[D].大连：大连理工大学，2003.[9]赵熙雍，张亚新.金属橡胶液体复合弹簧的发展和应用[J].机车电传动，2002，[10]韩坤，谢歆，季翼鹏，陈国柱.大功率直驱风力发电系统直流侧电压复合控制策略[J].机电工程，200911 致谢在本次论文设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在甄亮老师的精心指导和大力支持下才完成的感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。马立东2014年10月10日11'